多種物探儀器在海底路由管線檢測中的綜合運用

趙占寧ZHAO Zhan-ning

（中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部工程勘察作業(yè)公司，天津 300450）

0 引言

海底路由管線檢測旨在確定管道、輸電線路的位置、走向以及埋深等情況，在具體檢測過程中，可采用綜合物探技術(shù)，使用多種探測設(shè)備，從地形地貌、管線埋設(shè)狀態(tài)、海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)三個方面進行全方位的判斷，因此對各類物探技術(shù)進行探究。

1 不同物探儀器在海底路由管線檢測中的應(yīng)用原理

1.1 多波束聲吶探測技術(shù)應(yīng)用原理

1.1.1 應(yīng)用場景分析

對于新建項目，海底路由管線檢測的目的是為管道、電纜、光纜等選擇適宜的施工線路。對于已經(jīng)投入使用的管線工程，路由管線檢測目的是調(diào)查管線是否發(fā)生偏距、沉降、抬升等情況，從而預(yù)防或者消除隱患。多波束聲吶探測系統(tǒng)可用于建立海底的三維模型，輔助工程技術(shù)人員從海底地形地貌層面出發(fā)，合理設(shè)計管線路由。

1.1.2 應(yīng)用原理

多波束聲吶探測系統(tǒng)具有四大子系統(tǒng)，分別用于發(fā)射和接收聲學(xué)信號、采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、完成外圍的輔助性任務(wù)，核心設(shè)備組件為換能器、船體姿態(tài)傳感器、定位傳感器以及聲速剖面儀。其中，換能器用于發(fā)射和接收聲吶信號[1]。從測量原理來看，多聲吶探測系統(tǒng)通常安裝在船體上，聲波信號以海水為介質(zhì)，經(jīng)過一定時長到達海底，信號經(jīng)反射之后被接收。聲波在海水中的傳播速度較為穩(wěn)定，根據(jù)信號發(fā)出與接收的時間差，即可計算出被測點的深度。在獲得大量測點深度數(shù)據(jù)之后，即可借助軟件工具渲染出海底的三維模型。測點處的海水深度按照式（1）來計算。

式中：D 為被測點處的水深值；c 為聲波在海水中的平均傳播速度；t 為聲波從發(fā)射到接收的總耗時；θ 為聲波在海水中的入射角；ΔDd為船體吃水的修正量；ΔDt為潮位的修正量。在獲得大量測點水深數(shù)據(jù)之后，可利用網(wǎng)格插值法、網(wǎng)格生成算法建立海底地形的三維高程數(shù)字化模型。

1.2 磁力探測技術(shù)應(yīng)用原理

1.2.1 應(yīng)用場景分析

海底地形環(huán)境較為復(fù)雜，同時存在海水運動、地震以及其他類型的地質(zhì)活動，海底管線具有一定的埋深，以海洋油氣管道為例，其埋深通常為7.0m 左右。受到海水和海洋地質(zhì)活動的影響，海底路由管線有可能發(fā)生水平或垂直位移，偏離相應(yīng)的竣工設(shè)計方案。如果位移量過大，容易造成管線受損、破壞，并且增加了老化、腐蝕的風(fēng)險[2]。磁力探測技術(shù)可用于檢測既有海底管線（主要為金屬管道、電力電纜）的水平偏距和垂直位移。

1.2.2 應(yīng)用原理

磁力探測技術(shù)多用于海底金屬管道和電力電纜探測，電纜的芯線由金屬銅制作而成，海底油氣管道、給水管道多為鋼管，與施工用的砂礫、碎石、塊石以及自然形成的海床存在顯著的差異，金屬材料的磁化率明顯高于其他材料。使用拖曳式磁力儀檢測海床，能夠獲得磁力信號強度在測線上的變化趨勢，金屬管線雖然埋在海床下，依然能夠產(chǎn)生顯著的磁異常信號，可根據(jù)磁異常在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值判斷管線的位置[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，磁陣列成為新的磁力探測設(shè)備，可布置在水下航行器上，其優(yōu)點為精度高、成本低。以拖曳式磁力儀為例，其安裝方式如圖1 所示，其中H 為海水深度的測量值，H′為磁力儀拖體的入水深度，拖體通過托纜連接在船體后方，與船體上的GPS 定位系統(tǒng)沿水平方向保持10m 的距離。將磁異常信號的強度記為ΔT，被探測金屬管線的中心軸線與磁力儀拖體之間的距離記為h，則ΔT 和h 之間的關(guān)系式如下：

式中：ms為拖體產(chǎn)生的磁矩；μ0為真空中的磁導(dǎo)率；I0、is分別為磁性體傾角和有效磁化傾角；A′為地磁場正北方向與X 軸正方向的夾角；X 軸與被測管線的中心軸線平行，x 為兩條平行線之間的距離。由于ms、μ0、is、A′、I0、x 以及ΔT 均為可測值，因而可求出磁力儀拖體和金屬管線中心軸線之間的距離，h+H′即為金屬管線的實際埋深。在金屬管線偏心距測量中，可通過磁異常信號在坐標(biāo)軸上的位置來進行判斷。

圖1拖曳式磁力儀探測系統(tǒng)

1.3 淺剖探測應(yīng)用原理

1.3.1 應(yīng)用場景分析

在海底路由管線測量中，可利用淺地層剖面探測設(shè)備掌握海床的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。埋設(shè)在海床中的管線在材質(zhì)上與其他自然形成的沉積物存在顯著的差異，當(dāng)聲波在淺地層中傳播時，一旦遇到管線，信號會發(fā)生突變[4]。對于既有管線，可據(jù)此判斷海底路由管線的埋設(shè)狀態(tài)。對于擬建的海底管線工程，淺地層探測能夠掌握海底礁石等不利因素，促進合理選線。

1.3.2 應(yīng)用原理

淺地層剖面探測屬于重要的聲吶技術(shù)，聲波在不同介質(zhì)中的傳播特點存在較大的差異，當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)時，會發(fā)生反射作用，淺地層剖面探測儀正是基于這種反射作用完成管線檢測[5]。反射作用的強弱程度與反射系數(shù)呈正相關(guān)，該參數(shù)的計算方法見式（3）。

式中：Z1為界面上層的聲阻抗；Z2為界面下層的聲阻抗；R 為界面處的反射系數(shù)。

2 多物探儀器綜合應(yīng)用實例分析

2.1 工程概況

某海域擬建設(shè)一個海上風(fēng)力發(fā)電場，需要在海底建造風(fēng)力機組的基礎(chǔ)設(shè)施。在前期準(zhǔn)備階段，采用綜合物探方法掌握海床的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下管道和線纜的埋設(shè)情況以及海底的地形地貌，一方面為風(fēng)電機組基礎(chǔ)建設(shè)選擇適宜的作業(yè)點，另一方面則是避免破壞海底既有管線設(shè)施[6]。

2.2 物探儀器選型

2.2.1 磁力儀選型

該項目管線探測采用SeaSPY 海洋磁力探測儀，該型儀器的絕對精度為0.25nT，分辨率和計數(shù)精密度均為0.001nT，傳感器的靈敏度為0.02nT，測量范圍在1.8×104～1.2×105nT 之間，采樣頻率在0.1～4.0Hz 之間，拖體長度和直徑分別為0.86m、0.06m。在測量過程中，磁力儀掛靠在床尾后方，GPS 的定位精度為0.5m。

2.2.2 淺地層剖面探測儀選型

淺層地面剖析儀的型號為ChirpⅢ型，拖體可采用TTV-170、TTV-292，對應(yīng)的入水深度分別為600m、1750m。該儀器的信號發(fā)射速率為15 次/s，脈沖長度為5～50ms，每個通道的最大輸出能量為4kW，可顯示測深、海底反射率、信噪比、電壓等數(shù)據(jù)[7]。在進行海洋探測工作過程中，為了確保探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，工作人員將探測儀器安裝在船舷中部，盡量靠近船體外側(cè)，這樣的布置有利于減小船體本身對聲波傳播的干擾，提高探測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。在探測過程中，工作人員使用了兩款不同的數(shù)據(jù)處理軟件，即Triton 和Sonarwiz5。這兩款軟件能夠高效處理水下聲波數(shù)據(jù)，為海洋探測提供精確的深度、地形等信息。其中，Triton軟件能有效地處理復(fù)雜的水下聲波信號，提取出有價值的信息。在此次探測活動中，Triton 軟件主要負責(zé)對聲納數(shù)據(jù)進行實時處理，為研究人員提供實時的水深、地形等信息。而Sonarwiz5 軟件主要負責(zé)對聲波數(shù)據(jù)進行去噪、增益、濾波等操作。通過這些處理，工作人員可以得到更加清晰、準(zhǔn)確的聲波圖像，為海洋地質(zhì)研究、水下目標(biāo)探測等提供有力支持。

2.2.3 聲吶探測儀器選型

該項目采用Sonic2024 聲吶探測系統(tǒng)探測擬建區(qū)域的地形地貌和水深，其主要性能指標(biāo)包括工作頻率、覆蓋角度、量程分辨率、波束數(shù)量、波束大小等，主要性能指標(biāo)的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 Sonic2024 聲吶探測系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

2.3 物探結(jié)果分析

2.3.1 擬建區(qū)域海底地形地貌探測結(jié)果

擬建區(qū)域占地面積約為4600m2，經(jīng)過測量，作業(yè)區(qū)域的水深在37.9m～48.6m 之間。海床整體較為平坦，最大高差僅為10.7m[8]。多波束聲吶系統(tǒng)能夠生成數(shù)字高程模型，通過色彩區(qū)分不同區(qū)域的水深。檢測結(jié)果顯示，作業(yè)區(qū)域并未出現(xiàn)海溝、陡坡等不利地形，地勢從海岸邊向海洋方向逐步降低，有利于風(fēng)電基礎(chǔ)施工。

2.3.2 海底管線探測結(jié)果

根據(jù)前期掌握的資料，在擬建區(qū)域東北側(cè)方向建設(shè)有一根海底輸氣管道，總長度大約為15.1km。為了避免風(fēng)電施工破壞管道周邊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在作業(yè)之前利用磁力儀探測管道的具體位置和埋深。探測人員根據(jù)該輸氣管道的竣工圖確定了管道的起點、終點以及走向。該輸氣管道較長，靠近管道起點約2～5km 節(jié)段距離擬建區(qū)域最近，將該節(jié)段劃分為20 個子節(jié)段，每個節(jié)段開展一次磁力檢測，作為一個采樣點，主要獲取管道偏距和埋深兩類數(shù)據(jù)。表2 為一個采樣點的磁異常檢測結(jié)果[9]。磁力儀在探測領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，特別是在管道埋設(shè)點的定位上。根據(jù)表3 所展示的數(shù)據(jù)，我們可以明顯看出，磁力儀對于檢測磁異常強度區(qū)域的靈敏度極高，而這些區(qū)域恰恰就是管道的埋設(shè)點。

表2 海底管道磁異常檢測結(jié)果

表3 既有輸氣管道偏距探測數(shù)據(jù)

進一步分析數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，基于磁力探測的管道偏距數(shù)據(jù)在0.66～1.45 之間，說明該輸氣管道與竣工路由的偏距在正常范圍內(nèi)，沒有發(fā)生嚴重的偏移，避免了因位置偏移而導(dǎo)致的施工問題。此外，數(shù)據(jù)中還顯示，管道與擬建區(qū)域的最近距離超過了4.5km。這個距離有效保證了管道的安全性，避免了在擬建區(qū)域內(nèi)的潛在風(fēng)險，該距離也符合我國的相關(guān)規(guī)定，確保了項目的合規(guī)性。

2.3.3 淺剖面探測聯(lián)合磁力探測

磁力儀作為一種測量地球磁場強度的設(shè)備，能靈敏地捕捉到地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的細微變化。本次探測任務(wù)中，磁力儀探測到的磁力信號強度在145.6～205.7nT 之間，這個數(shù)值范圍明顯高于周邊其他部位的磁力信號強度，其余部分均低于30nT。這種現(xiàn)象引起了勘探人員的注意，他們推測這些異常點可能與地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的某些物質(zhì)或現(xiàn)象有關(guān)。通過對這些異常點的詳細分析，相關(guān)工作人員嘗試找引發(fā)磁力信號增強的原因，并圍繞這些異常點展開更深入的地質(zhì)調(diào)查，以便為區(qū)域發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[10]。

2.4 綜合討論

通過多種物探儀器對擬建區(qū)域及周邊管線的綜合探測，可得出以下三個基本結(jié)論。

①采用多波束聲吶系統(tǒng)檢測海底的地形地貌，發(fā)現(xiàn)該項目擬建區(qū)域海床地勢較為平坦，從一側(cè)向另一側(cè)逐步走低，高程差僅為10.7m，不存在陡坡、海溝等地形，為風(fēng)電機組基礎(chǔ)建設(shè)提供了良好的條件。

②采用磁力探測儀檢測擬建區(qū)域周邊的輸氣管線，發(fā)現(xiàn)該管線符合竣工圖紙，僅有微小的水平偏移，但距離風(fēng)電場施工區(qū)域較遠（4.5km），滿足安全條件。

③采用淺地層剖面探測儀探測擬建區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，僅發(fā)現(xiàn)7 個異常點，在此基礎(chǔ)上使用磁力儀進行聯(lián)合檢測，確定異常點為海底金屬落物，并非管道或線纜，滿足施工要求。

3 結(jié)語

綜合全文，研究過程先是分析了磁力探測、多波束聲吶探測、淺地層剖面探測的實現(xiàn)原理。再結(jié)合具體的工程項目，根據(jù)以上三種原理，使用多種物探儀器，對擬建區(qū)域的地形地貌、地下管線、周邊既有輸氣管線進行探測，結(jié)果顯示，該作業(yè)區(qū)域地形平坦，海床下不存在管線設(shè)施，東北側(cè)管道遠離作業(yè)區(qū)，滿足安全施工的條件。